СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО С УЗЛОМ «ЩАДЯЩЕГО» УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗКОЙ

August 9, 2014 by admin Комментировать »

Среди многочисленных описаний сенсоров и триггеров в современной технической литературе для радиолюбителей можно встретить схемы устройств практически на любой вкус. После того как логические микросхемы с полевыми транзисторами, включая КМОП-микросхемы, стали широко доступны, создать сенсорное устройство не представляет большого труда. Тем не менее каждая из них имеет свои достоинства и свои недостатки, что предполагает наличие конструкторской ниши для новаторских решений и усовершенствований в этой области. Решив сказать свое слово по данной теме, предлагаю читателям описание несложного электронного устройства, сочетающего триггер (узел с двумя устойчивыми состояниями) и сенсорный узел, благодаря которому триггер управляется простым прикосновением к сенсорному контакту. Два устойчивых состояния триггера в сочетании с сенсорным узлом обеспечивают следующий режим функционирования: один раз коснулся сенсора — свет включился, второй раз коснулся — сенсор выключился.

Рекомендуемое устройство можно использовать в широких пределах — от выключателя ночника (бра) или узла управления вентилятором, до игрушек различного назначения. При этом следует иметь в виду не только область применения устройства, но и его конструктивные особенности. Так, например, сенсором может быть любой токопроводящий предмет, имеющий сопротивление от нескольких ом до десятков мегаом. В частности, это может быть декоративный цветок в горшке, так как его ствол, листья, земля и корпус цветочного горшка являются сенсорами. Этого можно достичь, если в качестве сенсора использовать металлический штырь, который воткнут в землю цветочного горшка на 2…10 см и электрически соединен с входом 5 микросхемы DD1 (Рис. 1.8).

Преимущество данной разработки перед уже известными схемами состоит в том, что совмещенное устройство реализовано всего на одной микросхеме К561ТЛ1 (что говорит о простоте конструкции), а также в особенности управления лампой накаливания. Этот узел не совсем обычен. Дело в том, что благодаря «не стандартному» управлению тиристором подача синусоидального напряжения от осветительной сети на лампу накаливания происходит на начальном участке синусоиды, т.е. когда мгновенная величина напряжения незначительна. Поэтому лампа накаливания не будет подвергаться перегрузкам в момент включения (самый опасный момент в «жизни» электроламп). Такое решение позволяет обеспечить надежность работы лампы и сохранить ее ресурс в случае реализации другой схемы управления лампой в сети 220 В. Электрическая схема устройства показана на Рис. 1.8.

DD1 К561ТЛ1

Рис. 1.8. Электрическая схема сенсорного устройства с узлом «щадящего» управления нагрузкой

Элементы схемы и их назначение

Микросхемы DD1.1…DD1.4. Образуют двухкаскадную схему триггера с чувствительным входом.

Наличие тиристорного электронного узла обеспечивает практически бесшумное управление нагрузкой.

Сенсорный контакт Выполняет функцию датчика. Представляет собой металлическую пластину площадью 25…30 см2, вырезанную . из жестяной декоративной решетки акустических систем любой марки. Пластина может иметь любую нужную форму (круг, квадрат).

Переменное напряжение, наведенное в теле человека, контактируя с сенсором Ει, влияет на компоненты микросхемы DD1.1 и DD1.2 и тем самым способствует переключению бистабильной ячейки RS-триггера, образованной элементами DD1.3, PD1.4, во второе устойчивое состояние.

Ограничительный резистор R2. Через этот резистор к выходу элемента DD1.3 подключается усилитель тока на транзисторе VT1.

Транзистор VT1. Выполняет функцию усилителя, который управляет тиристором VS1. Состояние транзистора VT1 и тиристора VS1 зависит от логического состояния на выходе триггера. Может быть заменен КТ3107 с индексами Б, Г, Д, Ж, И, Л, КТ361Г…КТ361Д, КТ814Б…КТ814Г.

В состоянии высокого логического уровня на выводе 10 микросхемы DD1.3 транзистор VT1 и тиристор VS1 заперты; в состоянии низкого уровня — открыты.

Тиристор VS1. Тип тиристора — КУ201К…М, КУ202К…М, Т112-10 или аналогичный.

Лампа накаливания EL. Является нагрузкой для тиристора VS1. Вместо нее можно использовать любую подходящую активную нагрузку с мощностью потребления до 60 Вт. При более мощной нагрузке тиристор заменяется более мощным и устанавливается на теплоотвод.

Ячейка RS-триггера переключается потенциалами низкого уровня по входам (выводам) 8 и 13 соответственно компонентов DD1.3 и DD1.4. При этом вход 8 Имеет значение S (Set — вход установки 1), а вход 13 — значение R (Reset — вход установки 0) схемы триггера. На входы RS-триггера подаются переключающие сигналы с отрицательным потенциалом.

Удерживающий R-вход (вывод 13 DD1.4) соединен с выходом микросхемы DD1.3, а удерживающий S-вход (вывод 8 DD1.3) — с выходом микросхемы DD1.4, в результате чего образуется замкнутая петля обратной связи для цифровых сигналов. Благодаря такому решению при каждом касании сенсора Е1 низкий уровень напряжения, управляющий триггером, будет присутствовать то на выводе 8 DD1.3, то на выводе 13 DD1.4. Соответственно с каждым прикосновением цифровой сигнал на выходах RS-триггера будет меняться.

Неполярный конденсатор С). Обеспечивает следующую начальную установку узла: устойчивое состояние триггера сохраняется, пока на устройство подано напряжение питания. В момент подачи питания триггер устанавливается так, что:

на выводе 10 микросхемы DD1.3 присутствует высокий уровень напряжения;

транзистор VT1 и тиристор VS1 заперты;

лампа накаливания ELI погашена.

Тип конденсатора — КМ6 или аналогичный.

Диод VD2. Основной компонент схемы. Обеспечивает следующий характер работы узла: если на выводе 10 микросхемы DD1.3 присутствует низкий уровень напряжения, транзистор VT1 открыт тогда, когда на диоде VD2 падение напряжения меньше, чем на стабилитроне VD1. В остальное время транзистор VT1 оказывается заперт. Поскольку процесс открывания транзистора происходит в соответствии с синусоидальным изменением переменного напряжения в осветительной сети 220 В с частотой 50 Гц, с такой же частотой поступают на лампу накаливания импульсы, открывающие транзистор и соответственно тиристор, и формирование этих импульсов происходит в начале каждого периода синусоиды.

Оксидный конденсатор С2. Сглаживает пульсации напряжения. Тип конденсатора — К50-24, К50-35 на рабочее напряжение не ниже 25 В.

Стабилитрон VD1. Защищает устройство от перенапряжения в осветительной сети 220 В, что особенно важно в ночное время и в сельских условиях. Тип стабилитрона — любой, рассчитанный на напряжение стабилизации 12…15 В, например Д814Д.

Ограничительный резистор Л4. Выполняет ту же функцию, что и стабилитрон VD1.

Элементы VD3, 1?4, С2 и VD1 образуют бестрансформаторный источник питания.

Выпрямительный диодный мост VD4…VD7. Тип диодной сборки — КЦ402А, КЦ405А, КЦ407А или дискретные диоды типа КД105Б…КД105В, КД243Г, 1Ν4004…1Ν4007. Эти же рекомендации касаются возможной замены диодов VD2 и VD3.

Постоянные резисторы Ri…R3, R6. Тип резисторов — МЛТ-0,25, С2-33.

Светодиод HL1. Тип светодиода — АЛ307БМ или аналогичный.

Ток потребления устройства (без учета тока потребления лампы накаливания) не превышает 12 мА. При необходимости микросхему К561ТЛ1 можно заменить ее зарубежным аналогом CD4093A…CD4093B.

Почему же при разработке конструкции была выбрана все-таки микросхема К561ТЛ1?

Дело в том, что микросхема спроектирована как четыре независимых логических элемента 2И-НЕ с триггером Шмитта; обладает высокой чувствительностью по входу, имеет высокую помехозащищенность (до 45% от У„ит); предельно малый рабочий ток потребления и может работать в широком диапазоне питающих напряжений (3… 15 В). Именно высокая помехозащищенность входов микросхемы от статического электричества и превышения напряжения входных уровней позволяет использовать ее в данной конструкции, содержащей сенсор.

Элементы сборки

Устройство собирается на монтажной плате и закрепляется в корпусе из диэлектрика. При монтаже стремятся минимизировать длину выводов элементов схемы и таким образом уменьшить влияние электрических помех. Силовая часть монтируется так, чтобы корпусы тиристора и выпрямительных диодов (в случае применения дискретных диодов) не имели несанкционированного контакта с другими элементами.

Распределение фаз при подключении устройства к осветительной сети не имеет принципиального значения. Чувствительность узла, реагирующего на сенсор Е1, корректируется резистором R7 (показан на схеме пунктиром): при увеличении сопротивления R1 чувствительность сенсора повышается, при уменьшении — снижается. Таким образом, порог чувствительности можно задать достаточным для срабатывания даже от случайного прикосновения домашнего животного или только от проводящей части тела человека.

В авторском варианте длина соединительного провода непосредственно от выводов 2 и 5 микросхемы DD1 до сенсорной пластины Е1 составляла 25 см. Обычно это неэкранированный гибкий провод типа МГТФ сечением 0.8… 1 мм2, длина которого не должна превышать 30 см. В этом случае резистор Р7 не нужен, так как узел работает без сбоев и ложных срабатываний.

Если в силу объективных причин, обусловленных конструктивными особенностями монтажа устройства, длина провода превышает 30 см, возможны ложные срабатывания, происходящие от электрических помех в осветительной сети 220 В, например при подключении утюга или электрочайника. В данном случае резистор R^ (показан внизу схемы на Рис. 1.8 пунктиром) должен быть включен в схему, чтобы полностью исключить ложные срабатывания.

Предлагаемое устройство удобно в использовании еще и потому, что в нем предусмотрен узел индикации состоянии триггера на светодиоде HL1. При открытых транзисторе VT1 и тиристоре VS1 и соответственно включенной лампе ELI светодиод HL1 будет светиться. Яркость свечения зависит от сопротивления ограничительного резистора R5 цепи коллектора VT1. При ином состоянии триггера светодиод будет погашен. Этот узел индикации удобен при контроле работоспособности устройства, если, например, лампа накаливания или элементы управления не исправны.

При испытаниях устройства автор, помимо провода МГТФ, использовал экранированный соединительный провод от выводов 2 и 5 микросхемы DD1 к сенсору Е1, соединив экран с отрицательным полюсом источника питания. Результат оказался удовлетворительным — влияние помех удалось избежать при длине провода 1 м. Однако применять экранированный провод в данном случае можно только при питании от источника с гальванической развязкой от сетевого напряжения.

Устройство в данном исполнении питается непосредственно от осветительной сети переменного тока 220 В и не имеет гальванической развязки. Поэтому при работе с ним необходимо соблюдать осторожность. Монтаж элементов следует производить при полностью отсоединенном от сетевого напряжения устройстве. После сборки устройства первое включение должно выполняться с помощью стабилизированного источника тока с понижающим трансформатором и с выходным напряжением 9…15 В (предварительно отсоединив узел управления нагрузкой и элементы бестрансформаторного источника питания). Отрицательный полюс источника питания (общий провод) заземлять не надо.

Устройство не требует наладки.

Чувствительность сенсора регулируют сопротивлением постоянного резистора R\. Как известно, принцип действия сенсора состоит в реакции на наведенное на теле человека (другом проводящем предмете) переменное напряжение. Поэтому там, где таких наводок быть не может, например в поле, а также там, где нет вблизи энергетических коммуникаций, сенсор практически бесполезен.

Источник: Кяшкаров А. П., Собери сам: Электронные конструкции за один вечер. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. — 224 с.: ил. (Серия «Собери сам»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты